Лазерные технологии и новые достижения кремниевой нанофотоники

Кремний, являясь наиболее распространенным элементом земной коры, давно и прочно занял лидирующие позиции в современной микроэлектронике благодаря низкой стоимости и относительной простоте обработки данного полупроводника. С бурным развитием нанотехнологий в последние два десятилетия он также стал представляться не только основой микросхем и солнечных элементов, но и перспективным материалом для оптики и биологических применений. В первом случае имеется возможность менять в широких пределах характеристики рассеяния, поглощения и преломления света в средах на основе нанокремния подбором соответствующих технологических режимов его создания. Во втором — в ряде экспериментов на животных или биоподобных объектах удалось показать, что наночастицы кремния ввиду его низкой токсичности могут использоваться для диагностики и лечения с последующим относительно безболезненным выведением из организма или исследуемого объекта.

Безусловно не все вопросы безопасности для живых организмов при применении нанокремния, равно как и многих других наноматериалов, решены на сегодняшний день. Однако основные тенденции для решения задач в этом направлении свидетельствуют о том, что для применения на практике в первую очередь необходимо знать и контролировать предельно допустимые концентрации, размер и степень химической чистоты используемых наночастиц.

Существует ряд эффективных способов формирования кремниевых частиц с размерами менее микрона. Например, механическое измельчение позволяет достаточно просто и быстро изготавливать порошки с характерным размером составляющих несколько сотен нанометров, но не менее ввиду технологических ограничений данного метода. Однако к таким системам нельзя безоговорочно применять приставку «нано»: согласно общепринятой в России и за рубежом классификации наносистемой считается совокупность объектов, у которых характерный размер хотя бы по одному из измерений находится в диапазоне от 1 до 100 нм. Более того, использование подобных относительно крупных наночастиц в биологических приложениях, как правило, ограничено значительными временами биодеградации и выведения из организма. Наиболее предпочтительным с данной точки зрения является использование кремниевых частиц размерами порядка единиц и десятков нанометров, когда нежелательное воздействие на организм может быть ограничено несколькими часами. Здесь в качестве технологий изготовления хорошо зарекомендовали себя такие химические методы, как травление и пиролиз. Однако, несмотря на высокую степень их универсальности и дешевизны, зачастую не удается решить вопрос химической чистоты формируемых наночастиц: нежелательные для применения на практике остатки реагентов, используемых для проведения химических реакций, остаются в объеме или на поверхности кремния. Альтернативой перечисленным способам является метод лазерной абляции — процесс выноса вещества мишени в поле мощного лазерного импульса. В качестве мишени обычно используется стандартная кремниевая пластина, используемая в электронике. После воздействия лазерного импульса продукты абляции начинают распространяться в так называемую буферную среду, окружающую мишень и находящуюся в жидкой или газовой фазе. В результате взаимодействия продуктов абляции (атомов и брызг кремния) с атомами или молекулами буферной среды происходит торможение первых с последующей агломерацией в наночастицы. Подбор состава, температуры, вязкости и иных термодинамических параметров буферной среды, а также длительности, энергии и параметров фокусировки лазерных импульсов позволяет контролировать изготовление кремниевых наночастиц с требуемыми размерами в диапазоне от единиц до сотен нанометров.

Гистограммы распределения наночастиц по размерам для случаев формирования методом фемтосекундной лазерной абляции в гелии (а), азоте (б) и аргоне (в) при различных давлениях.

При определенном подборе перечисленных условий удается также осуществлять формирование частиц в кристаллической фазе, то есть кремниевых нанокристаллов, и совсем без химических примесей, например, при облучении в инертных газах.

На физическом факультете МГУ исследования структурных и оптических свойств кремниевых наночастиц, формируемых методом лазерной абляции, вот уже на протяжении почти десяти лет активно ведутся на кафедре общей физики и молекулярной электроники. Данные работы являются логичным продолжением одной из тематик кафедры, посвященной открытию новых возможностей наноструктурированного кремния в электронике и фотонике и успешно развиваемой с начала 90-ых годов под руководством профессора П.К. Кашкарова.

Заведующий кафедрой общей физики и молекулярной электроники профессор Кашкаров Павел Константинович.

Недавно сотрудникам кафедры общей физики и молекулярной электроники (П.К. Кашкаров, С.В. Заботнов, Д.В. Шулейко) совместно с коллегами (А.А. Ежов — кафедра квантовой электроники; М.Ю. Кириллин, Е.А. Сергеева,

П.Д. Агрба, А.Д. Крайнов — Институт прикладной физики РАН) удалось показать возможность использования кремниевых наночастиц, формируемых методом лазерной абляции в воде, в приложениях оптической когерентной томографии (ОКТ): “Laser-ablated silicon nanoparticles: optical properties and perspectives in optical coherence tomography” // Laser Physics, vol. 25, art. 075604 (2015).

Ввиду относительно высокого показателя преломления кремния (около 3.6 в красной области спектра) наночастицы из данного материала представляются эффективными рассеивателями света — контрастирующими агентами. С точки зрения визуализации биологических объектов наибольший интерес представляет красная и ближняя инфракрасная области спектра, поскольку с увеличением длины волны уменьшается поглощение кремния и в так называемом «диагностическом окне прозрачности» биотканей от 700 до 1300 нм данный материал становится уже практически прозрачным.

Изображение кремниевых наночастиц, сформированных методом пикосекундной лазерной абляции в воде, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Коэффициенты рассеяния ?s и поглощения ?a кремниевых наночастиц, изготовленных методом лазерной абляции воде. ?a – ?awater — вычет поглощения воды. Концентрация наночастиц — 1013 см–3.

В итоге основные потери при распространении света через суспензии и порошки кремниевых наночастиц в указанном спектральном диапазоне происходят за счет светорассеяния, которое с другой стороны может приносить и пользу: если нанести частицы на слабо различимую границу раздела двух сред, то после такой обработки поверхности изображение последней станет значительно более контрастным. Подобные эксперименты были проведены на модельном объекте — агаровом геле, который можно считать фантомом (образом) биологической ткани. Анализ данных, получаемых методом ОКТ показал, что на границе раздела агаровый гель — воздух может быть достигнут достаточно высокий контраст изображений до 14 Дб.

ОКТ-изображения слоя агарового геля до (а) и после (б) нанесения суспензии кремниевых наночастиц. Центральная длина волны зондирования — 910 нм.

В настоящее время на кафедре планируется продолжение работ по визуализации не только биоподобных, но и биологических сред с помощью кремниевых наночастиц, формируемых методом лазерной абляции, а также подбору буферных сред и режимов лазерного облучения, когда контрастирующим агентам будет присуща помимо эффективного светорассеяния и фотолюминесценция, что позволит в перспективе значительно расширить круг решаемых задач в биологии и медицине.

Доцент С.В. Заботнов

Назад